浅谈HAZOP 分析在废硫酸裂解装置的应用

贺永斌，白虎雄，杨茂勤

（陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司，陕西榆林 719319）

危险与可操作性分析（Hazard and Operability Analysis，缩写HAZOP）是一种用于辨识设计缺陷、工艺过程危害及操作性问题的结构化分析方法。通过分析生产运行过程中工艺状态参数的变动，操作控制中可能出现的偏差，以及这些变动与偏差对系统的影响及可能导致的后果，找出出现变动与偏差的原因，明确装置或系统及生产过程中存在的主要危险有害因素，并针对变动与偏差的后果提出应采取的措施[1]。笔者以陕西北元化工集团股份有限公司化工分公司的废硫酸高温裂解装置为例进行HAZOP 研究分析。

1 废硫酸裂解装置HAZOP 分析的目的

从工艺流程、工作原理、操作步骤以及安全保护等方面入手，通过分析识别出废硫酸裂解装置在生产运行过程中存在的危险有害因素和可能造成的后果，寻找出装置在工艺设计、设备运行、工艺操作和安全措施方面的缺陷，提出可靠的建议措施，为装置的安全稳定运行提供指导。

2 HAZOP 分析的一般步骤

2.1 分析前准备

一是要明确分析的范围和对象，这样分析才能有的放矢；二是组建专业的分析团队，HAZOP 分析是一个头脑风暴的过程，团队中必须包括各相关专业领域的成员，如工艺、设备、安全、仪表、电气以及操作人员等，在主席的组织下进行详细地开展；三是收集相关资料，包括P&ID 图、操作规程、设备信息等；最后安排好分析的时间、地点，做好分析准备。

2.2 分析过程

HAZOP 分析过程可参照GB/T 35320—2017《危险与可操作性分析（HAZOP 分析）应用指南》[2]进行，具体为：

1）先划分节点，分析对象进一步细化。

2）选择引导词，引出具体偏离，分析偏离的原因及造成的后果。

3）根据对应的风险矩阵进行风险分析，确认偏离发生的可能性和后果的严重性，得出风险等级。

4）识别评估现有安全措施，如果风险等级仍较高，提出建议措施，使风险度降在可接受范围之内。

5）当一个偏离分析完成后，开始下一个偏离。当本节点分析完成后，开始下一个节点，以此类推。

HAZOP 分析过程见图1。

2.3 分析后工作

当HAZOP 分析完成后，编制HAZOP 分析报告，将分析的详细内容以报告形式呈现，报告样式见表1。最后对提出的建议措施安排落实，确定具体的实施时间和责任人，保证建议措施的有效实施，这是HAZOP 分析的最终体现。如果措施未得到落实，分析等于空谈。

图1 HAZOP分析过程

表1 废硫酸裂解装置HAZOP分析报告（样表）

3 废硫酸裂解装置HAZOP 分析

废硫酸裂解装置的建设产能为w(H2SO4)98%硫酸30 kt/a，采用美国孟莫克公司（MECS）废硫酸裂解再生技术，通过燃烧天然气并掺烧硫磺提供热量，在高温下裂解w(H2SO4)75%废硫酸，生成含SO2的混合烟气，通过净化、转化、吸收生产出w(H2SO4)98.5%浓硫酸。该装置的工艺流程主要包括硫磺熔化精制、硫酸高温裂解、烟气净化、转化、吸收等部分，主要设备有液硫储槽、裂解炉、洗涤塔、转化器、吸收塔等。针对废硫酸裂解主体装置，以裂解废硫酸所产的烟气作为关联介质，根据生产过程涉及的熔硫、焚烧、净化、转化和干吸共5 个系统进行HAZOP 分析。

3.1 熔硫系统

3.1.1 熔硫系统的危险因素

熔硫系统的操作是将固体硫磺熔化为液体硫磺，然后过滤除去杂质成为精制液体硫磺。

该系统存在的危险物主要有硫磺粉尘和液体硫磺。硫磺粉尘主要产生于固体硫磺装卸、上料等作业过程，易与空气形成爆炸性混合物，爆炸下限为体积分数2.3%[3]。人员长期暴露于硫磺粉尘中可能会产生皮肤过敏和永久性眼损伤，长期吸入可引起黏膜刺激。液体硫磺的闪点为为168～187 ℃[4]，熔硫过程控制在130 ℃左右，如果液体硫磺过热或遇明火将起火燃烧，引发火灾。硫磺燃烧生成二氧化硫气体，具有一定的毒性。

3.1.2 熔硫系统存在的问题

运用HAZOP 分析方法，识别出熔硫系统存在的操作或管理缺陷主要有：

1）硫磺采用人工上料，扬尘较大，局部会造成硫磺粉尘浓度超标，遇明火会发生爆炸。

2）硫磺上料时，下料口处粉尘不能得到有效控制，大量粉尘会从下料口冒出，造成环境污染。

3）液硫过滤器上方缺少消防设施，一旦着火，没有有效的灭火设施，易造成火势的进一步扩大。

4）进入液硫储槽的管线在储槽上端盖以下没有蒸汽保温，间断进料时容易造成进料管线堵塞，导致系统停车。

3.1.3 熔硫系统安全生产的建议措施

为保证熔硫系统安全生产，提出以下安全措施建议：

1）上料时保证轴流风机运转，厂房通风良好，禁止使用铁器用具上料。

2）硫磺下料口增加盖板，减少粉尘的形成。另外在熔硫过程中，皮带机输送通道保证密闭，规模较大的熔硫装置增加粉尘处理装置，对粉尘进行抽吸、捕捉。

3）在液硫过滤器出口增加消防蒸汽或应急消防水，防止液硫过滤器打开着火或用于超压着火的应急处理。

4）将进入液硫储槽的管线夹套保温延长至正常液面以下，可以有效避免液硫管线堵塞。

3.2 焚烧系统

3.2.1 焚烧系统的危险因素

焚烧系统操作的关键是控制好裂解炉内的反应：①天然气和硫磺与氧气燃烧；②在高温下将废硫酸分解为二氧化硫、氧气和水。

该系统存在的危险物主要有天然气和废硫酸。天然气为可燃气体，主要成分为甲烷（CH4），燃烧生成二氧化碳和水，不完全燃烧时还会生成一氧化碳和单质碳。天然气泄漏遇明火会发生爆炸，在空气中含量达到一定程度后会使人窒息。废硫酸是在采用硫酸清净电石法生产乙炔气体的过程中产生的，w(H2SO4)为75%，组分复杂，杂质含量高，具有强烈腐蚀性。废硫酸中含有硫化氢、磷化氢等有毒气体，吸入对人体有损害，和身体接触会造成机体腐蚀。

3.2.2 焚烧系统可能出现的问题

运用HAZOP 分析方法，识别出焚烧系统存在的操作或管理缺陷主要有：

1）天然气管线法兰存在泄漏的风险，遇明火或高温会发生燃烧或爆炸。

2）裂解炉内没有可燃气体监测设备，现场实地取样时不具有代表性，在点炉失败后只能依靠经验数据进行置换，可能会造成二次点炉闪爆；发生误操作时会使天然气进入裂解炉，点火过程中会发生爆炸。

3）天然气放空管线出口处没有阻火器，可能会引起着火、回火事故。

4）天然气管线只有现场压力表，没有远传压力监测，对于超压造成天然气泄漏或者发生泄漏造成压力波动不能及时知晓。

5）废酸枪在高温情况下易发生泄漏，导致废酸裂解不充分，腐蚀设备管线。

3.2.3 焚烧系统安全生产的建议措施

为防止焚烧系统发生泄露或燃爆事故，提出以下安全措施建议：

1）制定天然气管线检查制度，定期对管线进行检查试漏。

2）建议在裂解炉内安装可燃气体监测仪，及时知晓炉内可燃气体情况，防止二次点炉发生爆炸以及运行时缺氧燃烧；每次停车后，将天然气管线用盲板封堵。

3）天然气放空管线出口处安装阻火器。

4）在天然气管线上增加压力远传，可以在线监测天然气压力情况，及时发现天然气管线异常情况。

5）废酸枪丝扣连接改为焊接连接。

3.3 净化系统

3.3.1 净化系统的危险因素

净化系统控制烟气冷却和净化过程，混合烟气通过洗涤塔、冷却塔和除雾器的作用，得到冷却和净化。该系统存在的危险物主要是二氧化硫气体。二氧化硫气体具有刺激性气味，不燃，会对人体的呼吸道产生强烈的刺激作用。

3.3.2 净化系统存在的问题

运用HAZOP 分析方法，识别出净化系统存在的操作或管理缺陷主要有：

1）气体冷却塔出口烟气温度没有设置联锁停车信号，如果温度超标，大量的水汽会进入干燥塔，造成硫酸浓度瞬间下降，腐蚀设备管线。

2）转动设备的运转情况是否良好对于净化系统至关重要，务必保证转动设备运转正常，否则容易造成设备高温损坏。

3.3.3 净化系统安全生产的建议措施

为保证净化系统正常运行，提出以下建议措施：

1）将气体冷却塔出口烟气温度输入联锁系统，避免烟气含水过高，造成设备损失。

2）建议将一级动力波洗涤器循环泵和气体冷却塔循环水泵与各自备用泵增加互锁，当运行泵故障，备用泵自动启动。

3.4 转化系统

3.4.1 转化系统的危险因素

转化系统的操作是在转化器内高温条件下将二氧化硫催化生成三氧化硫。

该系统存在的危险物主要有催化剂和含有二氧化硫与三氧化硫的混合烟气。催化剂的主要成分为五氧化二钒（V2O5），人员接触催化剂粉尘可引起呼吸道刺激症状，重者出现支气管炎或支气管肺炎，皮肤高浓度接触可致皮炎。烟气中含有二氧化硫和三氧化硫，具有强刺激性臭味；二氧化硫和三氧化硫均为酸酐，遇水后可形成冷凝酸，对催化剂、不锈钢设备有腐蚀影响。

3.4.2 转化系统存在的问题及建议措施

运用HAZOP 分析转化系统存在的操作或管理缺陷，并提出相应的建议措施：

1）转化系统内生成三氧化硫，三氧化硫的露点较高，容易形成冷凝酸，会对设备管道造成腐蚀，需要定期排放转化设备中的冷凝酸。

2）主风机进出口变径管为碳钢材质，容易造成冷凝酸腐蚀穿孔，建议更换为不锈钢材质。

3）筛分催化剂时需要严格佩戴好防护用品，防止人员中毒。

4）转化器各床层无在线压力检测，不能有效关注催化剂床层的压降变化，建议增加在线压力检测仪。另外，当床层压降明显增大时，应对催化剂进行检查，否则会造成尾气排放二氧化硫超标，造成环境污染。

3.5 干吸系统

3.5.1 干吸系统的危险因素

干吸系统操作的关键是控制好吸收塔内循环酸浓度，使烟气中的三氧化硫被全部吸收，生成w(H2SO4)98.5%的浓硫酸。

系统内主要危险物料有浓硫酸。浓硫酸是具有强腐蚀性、强氧化性和脱水性的二元强酸，对人体的皮肤、黏膜等组织有强烈的刺激和腐蚀作用。

3.5.2 干吸系统存在的问题及建议措施

运用HAZOP 分析干吸系统存在的操作或管理缺陷，并提出相应的建议措施：

1）干吸系统未配备尾气吸收系统，如果排放的尾气超标不能及时处理，会造成环境污染事故。例如，干吸系统发生误操作时，系统吸收酸浓度过高或者过低都会造成排放的尾气冒白烟，造成环境污染。建议增加尾气吸收塔，以防排放的尾气超标。

2）干吸系统所有的酸管线、法兰需要安装法兰防护罩，避免出现硫酸泄漏时喷溅至人员身体造成灼伤。

4 其他建议措施

为了进一步保证工艺系统稳定运行，提出以下建议措施：

1）制定烟气路径上产生冷凝酸设备的排酸周期，如实登记，便于下一步优化总结，缓解设备腐蚀。

2）定期进行催化剂检测，提前规划催化剂更换、筛分等相关工作。

3）加强制酸系统人员业务技能培训，提升业务技能和责任心。

4）梳理同行业装置异常情况处置及事故的案例，对照落实相关安全措施。

5 结语

HAZOP 分析法从20 世纪60 年代提出至今[5]，它的作用正逐步凸显，不仅对废硫酸裂解装置，放眼整个化工行业，它都能起到很好的安全指导作用。通过HAZOP 分析，不仅能使分析人员更深层次地了解生产系统，发现系统内较为隐蔽的症结，并制定出解决的方案，还能通过分析使员工的安全意识得到进一步加强。HAZOP 分析在化工行业的前景广阔，企业需要充分利用好这一工具，为化工安全生产保驾护航。